土壤墑情自動監測站是一種基于頻域反射(FDR)或時域反射(TDR)原理設計的智能化土壤監測系統,主要用于實時、連續監測土壤水分、溫度、電導率等關鍵參數,為農業灌溉、林業研究、地質環境監測及防災減災提供科學依據。
該系統通過集成多參數傳感器(如土壤水分傳感器、溫度傳感器、電導率傳感器等),結合數據采集終端、無線通信模塊和太陽能供電系統,實現24小時無人值守的自動化監測。傳感器采用FDR/TDR技術,通過測量土壤介電常數計算水分含量,測量精度高(誤差±3%以內),且不受土壤鹽分、溫度等因素干擾。系統支持多層土壤同步監測(典型深度為10cm、30cm、60cm),可生成土壤墑情剖面圖,揭示水分垂直分布規律。
一、核心數據采集系統(獲取墑情與環境參數)
該系統是監測站的“感知核心”,負責精準采集土壤及周邊環境數據,核心是土壤墑情傳感器與輔助氣象傳感器。
土壤墑情與溫度傳感器
功能:直接插入土壤,采集土壤體積含水量(如0-100%)、土壤溫度(通常-40℃-85℃),部分高d型號可同時檢測土壤電導率(反映土壤鹽分)、土壤緊實度。
類型:常見為頻域反射(FDR)傳感器或時域反射(TDR)傳感器,FDR傳感器性價比高、功耗低(適配戶外長期供電),TDR傳感器精度更高(誤差≤±1%),適合高精度監測場景;通常按不同深度分層布設(如10cm、20cm、50cm),捕捉不同土層墑情差異。
安裝:需配套金屬或塑料套管(保護傳感器線纜,避免土壤擠壓損壞),傳感器探頭需與土壤緊密接觸,無空氣間隙(否則測量值偏低)。
輔助氣象傳感器(可選)
雨量傳感器:多為翻斗式,記錄降雨量(分辨率0.2mm或0.5mm),判斷降水對土壤墑情的補充作用,避免單獨依賴墑情數據誤判干旱/濕潤狀態。
空氣溫濕度傳感器:采集監測點空氣溫度(-40℃-60℃)、相對濕度(0-100%RH),輔助分析氣象條件對土壤水分蒸發的影響。
風速風向傳感器(部分站點):用于風沙區或開闊地塊,監測風速風向對土壤水分流失的影響,為墑情變化提供更全面的環境背景。
數據采集器(核心控制單元)
功能:連接所有傳感器,按預設間隔(如10分鐘/次、1小時/次)自動采集數據,進行數據暫存、格式轉換(如將模擬信號轉為數字信號),同時控制數據傳輸模塊與供電系統。
特點:具備低功耗設計(適配太陽能/電池供電,待機電流≤10mA),支持多接口(RS485、模擬量接口),可接入8-16路傳感器;內置存儲芯片(可存1-2年數據),防止遠程傳輸中斷導致數據丟失;部分型號帶本地顯示屏(如LCD屏),可現場查看實時數據。
二、數據傳輸系統(實現遠程數據交互)
該系統負責將采集器的本地數據傳輸至遠程監控平臺,確保數據實時可達,適配不同h外網絡環境。
傳輸模塊
4G/5G模塊:z常用,依托移動運營商網絡,覆蓋范圍廣(農村、郊區多數區域可通),傳輸速率快(支持實時數據上傳),需配備SIM卡(開通流量套餐),適合有手機信號的監測點。
北斗/GPS模塊:用于無手機信號的偏遠地區(如山區、荒漠),通過衛星傳輸數據,無需地面網絡,但傳輸速率較慢(通常30分鐘-1小時傳1次數據),功耗略高,需配套衛星天線。
LoRa模塊(近距離):適用于集中式監測(如連片農田多個監測站),通過LoRa網關匯總數據后再上傳至平臺,傳輸距離1-5km,功耗低,適合短距離、多站點組網。
天線與線纜
傳輸天線:4G/北斗模塊需配套外置天線(增益5-10dBi),安裝在監測站高處(如支架頂部),確保無遮擋(樹木、建筑會影響信號);天線線纜需做防水處理(包裹防水膠帶),避免雨水滲入接頭。
傳感器線纜:采用屏蔽線(抗電磁干擾),長度按傳感器深度定制(如50cm深傳感器配1m線纜),線纜外層需套PE保護管(防止鼠咬、土壤腐蝕),部分線纜需埋入地下(避免被碾壓)。
三、供電系統(保障長期戶外運行)
該系統為整個監測站提供穩定電力,核心是“新能源+儲能”組合,適配無市電供應的戶外場景。
發電裝置
太陽能電池板:最主流,單塊功率30W-100W(根據設備功耗選擇,如僅墑情傳感器+4G傳輸選30W,帶氣象傳感器選50W以上),材質多為單晶硅(轉換效率高,20%-23%),需配套太陽能支架(可調節角度,通常朝南30°-45°,z大化采光)。
風力發電機(可選,風力充足地區):功率100W-300W,與太陽能板組成“風光互補供電”,避免連續陰雨天太陽能供電不足,適合草原、高原等多風區域。
儲能與供電控制
蓄電池:存儲電能,常用12V鉛酸蓄電池(容量20Ah-100Ah,如30W太陽能板配50Ah電池,可續航3-5個陰雨天)或鋰電池(重量輕、壽命長,但成本高),需放置在防水機箱內,避免雨水浸泡。
充電控制器:連接太陽能板與蓄電池,防止蓄電池過充(電壓過高時切斷充電)、過放(電壓過低時切斷負載供電),保護蓄電池壽命;部分控制器帶USB接口,可現場給設備充電或導出數據。
四、現場防護與支撐系統(適應戶外環境)
該系統保護核心部件免受野外環境(雨水、風沙、生物、外力)損壞,確保設備長期穩定。
設備機箱
功能:放置數據采集器、蓄電池、充電控制器,材質為不銹鋼(304材質,防腐蝕)或工程塑料(重量輕,適合便攜站點),防護等級需達IP65及以上(防塵、防暴雨);機箱帶鎖,防止人為破壞或盜竊。
細節:底部預留線纜進出口(帶防水密封圈),側面設散熱孔(防止夏季機箱內溫度過高,影響電池壽命),部分機箱帶隔熱層(冬季保溫,避免電池低溫虧電)。
支架與基礎
支架:支撐太陽能板、天線、氣象傳感器,材質為熱鍍鋅鋼管(防生銹),高度1.5m-3m(根據監測場景,農田通常1.5m,避免作物遮擋太陽能板);部分站點為便攜設計,采用可折疊支架,方便運輸與安裝。
基礎:固定支架與機箱,小站點可用水泥配重塊(重量≥50kg,防止風吹倒),長期站點需澆筑水泥基礎(深度≥50cm,固定支架底部);土壤傳感器周圍需清理雜草、石塊,避免根系纏繞傳感器或石塊擠壓探頭。
輔助防護部件
防鼠網/防鳥刺:機箱底部或支架底部加裝防鼠網(孔徑≤1cm),防止老鼠進入機箱咬斷線纜;太陽能板上方加裝防鳥刺,避免鳥類停留排泄,污染太陽能板影響采光。
接地裝置(雷雨多發區):用鍍鋅角鋼(長度1.5m)作為接地極,打入地下,通過接地線連接設備機箱與支架,接地電阻≤10Ω,防止雷擊損壞設備(尤其帶氣象傳感器的站點,易引雷)。
